汽車電子電氣基礎(chǔ)知識詳解(二)

◆文/山東 劉春暉 張學忠

（接2019年第12期）

二、歐姆定律

歐姆定律是最重要的電工學定律之一，它描述了電壓、電流和電阻之間的關(guān)系。歐姆定律的內(nèi)容是，在恒溫下一個金屬導體上的電壓降U與流經(jīng)導體的電流強度為I的電流成正比。

利用歐姆定律可計算出一個電路的三個基本參數(shù)，前提是至少已知其中的兩個參數(shù)。這三個基本參數(shù)是電壓、電流和電阻。歐姆定律可用以下三個公式表達：

如果在電阻1Ω的用電器上施加1V電壓，則電路內(nèi)的電流強度為1A。電壓升高時，電流也隨之升高。用電器電阻升高時，在電壓保持不變的情況下電流減小。魔法三角可用于輔助確定歐姆定律的不同公式，如圖10所示。刪掉待計算的參數(shù)，用剩下的兩個參數(shù)計算出該結(jié)果。為了清楚這些參數(shù)的順序，要記住URI。提示：如果很難接入電路或不允許斷開電路，則要測量電路內(nèi)已知電阻上的電壓。隨后可通過歐姆定律計算出電流。

圖10 歐姆定律的魔法三角

三、電功

當電壓U使電量Q移動時，就在做電功。功的單位為焦耳(J)或者千瓦時(kWh)。電功的計算公式如下：

電機旋轉(zhuǎn)和燈泡照明都是電功的形式。當電流通過時，電能就被轉(zhuǎn)化為其他形式，例如動能、光能或熱能。

四、電功率

從技術(shù)角度來說，“電流消耗”這種通俗的表述是不正確的，因為流入設(shè)備的電流還會再次流出。事實上，涉及普通家用電流時，電子只是在導體內(nèi)短程往復“擺動”，而不會有明顯數(shù)量的電子從導線流入設(shè)備內(nèi)，實際“流動”的是電能。電能也同樣不像通俗表述的那樣被消耗掉，而是進行相應(yīng)轉(zhuǎn)換，例如轉(zhuǎn)化為機械能(電動機)、熱能(電吹風)和化學能(例如手機電池充電時)。此時所做的功(電壓、電流強度和時間的乘積)由一個所謂的電度表確定。因此，“電流消耗”的計量單位是能量單位“千瓦時”，而不是電流單位“安培”。一般來說，功率是指特定時間內(nèi)做功的能力。

電功率是電子學和電工學中定義表述差異最大的一個數(shù)值。所有功率的共同點(針對直流電壓)是計量單位和公式符號。電功率的公式符號是大寫的P。電功率的基本單位是瓦特(W)或伏安(VA)。后者通過電壓和電流計算出來。計量單位“VA”經(jīng)?？梢栽谧儔浩骱碗姍C上看到。

電功率P、電壓U、電流和電阻之間的數(shù)學關(guān)系參見圖11?？赏ㄟ^兩個已知的電參數(shù)計算出一個未知的電參數(shù)。

圖11 電流I、電壓U、電阻R和功率P的換算表

五、電路

到現(xiàn)在為止，我們談及的電路都由一個電壓電源和一個負載電阻構(gòu)成。但在車輛上一個電壓電源(車載網(wǎng)絡(luò)供電)會同時接有很多用電器。這種電路稱為擴展型電路。擴展型電路也分為并聯(lián)和串聯(lián)兩種基本連接方式。

下面以電阻為用電器介紹這兩種連接方式。與其他用電器連接時，例如電機、白熾燈泡或繼電器，情況基本相同。在電子電氣系統(tǒng)中電路也用電路圖來表示。

與以前所示電路圖的唯一區(qū)別是未畫出回流導線。在一些汽車中回流導線通過車身即電氣接地表示。接地用圖12所示電路符號表示。車輛上的所有接地連接都通過車身以電氣方式相互連接。車身通過一根銅帶與蓄電池負極接線柱連接在一起。

圖12 接地電路符號

六、電路圖

識別電路圖是診斷系統(tǒng)故障的基本技能，下面就寶馬電路圖的一些表示方法做出說明，部分電路符號的表示方法如表1所示，導線顏色的表示方法如表2所示。線路圖說明：同一插頭中的兩個線腳劃線表示同一插頭的連接點，其各部分的含義如圖13所示。

表1 部分電路符號的表示

表2 導線顏色的表示方法

圖13 線路說明

七、串聯(lián)電路

1.電阻的串聯(lián)

圖14 電阻串聯(lián)

串聯(lián)時將所有電阻依次連接在一起。電流先后經(jīng)過每個電阻，也就是說必須克服總電阻，如圖14所示。

相同電流經(jīng)過所有電阻時這些電阻為串聯(lián)形式?？傠妷篣total分布在串聯(lián)電路的各個電阻上。各部分電壓之和等于總電壓。

由于串聯(lián)電路內(nèi)各處的電流大小都相等，因此不同電阻的電壓降不同。電壓與對應(yīng)的電阻成正比。串聯(lián)電路的總電阻是各串聯(lián)電阻之和。

總電壓分配在最大電阻上的電壓降最大，總電壓分配在最小電阻上的電壓降最小。

2.供電電源串聯(lián)

正確串聯(lián)連接各供電電源的電極時，就會將各部分電壓相加起來，如圖15所示。將各電源彼此同極相對連接時就會消減電壓。最大電流由最弱供電電源決定。

串聯(lián)連接供電電源時，各部分電壓相加形成總電壓。同理，將各內(nèi)阻抗相加即得到總內(nèi)阻抗。

圖15 供電電源串聯(lián)

八、并聯(lián)電路

并聯(lián)電路不是將電阻依次連接，而是將其并排連接時稱為并聯(lián)。在這個電路中有更大的橫截面供電流通過，并聯(lián)電路的連接如圖16所示。因此總電阻較小。并聯(lián)電路的總電阻始終小于最小的單個電阻。電阻并聯(lián)時，施加在所有電阻上的電壓都相同。

圖16 電阻并聯(lián)

總電流在電阻的連接點處分為多個分電流。分電流的總和等于總電流，如圖17所示。

圖17 電流I分為三個分電流

并聯(lián)電路的總電阻小于最小的單個電阻。電流可以更好地通過各個并聯(lián)電阻，即電導率升高。利用下列公式計算三個電阻并聯(lián)時的總電阻，如圖18所示。

圖18 一個并聯(lián)電路的總電阻

可將供電電源并聯(lián)起來，其電路如圖19所示。但必須確保所有供電電源都具有相同的標稱電壓值和內(nèi)阻抗。必須將各電源的同極彼此相連，否則可能會對供電電源造成無法修復的損壞或破壞。并聯(lián)連接供電電源可輸出相對于單個供電電源來說更強的電流。

圖19 供電電源并聯(lián)

各部分電流相加形成總電流，各內(nèi)阻抗并聯(lián)連接在一起。

必須確保只將具有相同非負荷電壓值和相同內(nèi)阻抗的供電電源并聯(lián)在一起。如果將不同容量和充電狀態(tài)的蓄電池并聯(lián)在一起(輔助啟動)，只能在短時間內(nèi)保持這種連接狀態(tài)，否則將會引起蓄電池過熱。

九、最常見的電路故障

1.接觸電阻

經(jīng)過一段時間，連接部位在空氣、濕氣、污物和侵蝕性氣體的作用下出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。這種氧化作用會使連接部位的接觸電阻增大。根據(jù)歐姆定律，電阻增大會產(chǎn)生電壓降。電路中的電阻增大導致電流減小。因此用電器內(nèi)實際消耗的功率減小。例如，因氧化作用造成前燈導線電壓下降10%時，前燈內(nèi)的實際功率就會減小大約20%。接觸電阻較小且電流只有幾安培時，電壓降可以忽略不計。

接有電流較大的用電器時，可能會出現(xiàn)嚴重影響用電器功能的電壓降。但由于無法用萬用表測量較小的接觸電阻，因此必須通過測量閉合電路內(nèi)的電壓來確定該電阻值。

2.短路

在兩個電極(例如電池的正極和負極接線柱)之間建立起直接的導電連接(通常是不希望出現(xiàn)的)時稱為電氣短路。短路就是電壓電源的突然性電荷平衡。短路通常是由于絕緣不良或由于電氣系統(tǒng)及電路出現(xiàn)電路故障造成的。在電壓幾乎降為零的同時，電流達到最大值，即短路電流。該電流只能通過電源內(nèi)阻Ri來限制。

所有為進行平衡蜂擁而至的電子同時試圖通過導體，導體無法承受這種電子流，因此導致導體上產(chǎn)生電火花或過熱。由于短路電流沒有受到限制，因此可能導致沒有熔絲保護的導線或電纜過熱損壞。出現(xiàn)較高的短路電流時熔絲必須熔斷，同時以最快的速度將短路部位與其他正常的供電網(wǎng)絡(luò)斷開。根據(jù)電路情況必須盡快切斷(最多0.1s)，以將電壓降和短路電流的影響降至最低。否則可能會引起火災。

3.斷路

斷路時電路無法閉合，即所需電流中斷。斷路通常是由于插接連接問題造成的。斷路的結(jié)果是電氣組件無法工作，例如白熾燈泡、加熱電阻、揚聲器等。

十、可變電阻

可變電阻可分為機械可變電阻(電位器)和其他類型的受外界溫度壓力等條件影響的電阻器，如熱敏式電阻、光敏電阻等。可變電阻器按其設(shè)置特性進行區(qū)分，不同可變電阻特性如圖20所示。除直線和對數(shù)設(shè)置特性外，還有一系列非線性電阻器。在應(yīng)用方面，一般直線電阻應(yīng)用在位置傳感器上，對數(shù)曲線型電阻，應(yīng)用在音量調(diào)節(jié)器上，S形曲線應(yīng)用在空氣體積流量計。

圖20 不同類型可變電阻特性

十一、機械可變電阻

機械可變電阻即電位器，形式不同，但是它們具有相同的電氣功能(可變分壓器)，機械可變電阻的電路符號如圖21所示。

電位器的電阻值可隨時改變，線繞電位器僅在機動車電氣系統(tǒng)內(nèi)使用，碳膜電位器或?qū)щ娝芰想娢黄髟跈C動車電子系統(tǒng)內(nèi)使用。電位器可用于進行長度測量，電位器活動觸頭與待測長度有關(guān)，測量可變電阻器的電壓降，通過電阻內(nèi)的變化可以量度長度變化，電位器也可以作為角度傳感器使用。在這種情況下，旋轉(zhuǎn)角度與電位器電阻上的電壓降之間具有一種固定的相互關(guān)系。

機械可變電阻在機動車中主要應(yīng)用在燃油液位傳感器、葉片式空氣體積流量計、踏板位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器等?，F(xiàn)在除了燃油液位傳感器還在使用電位器外，其他的傳感器都已經(jīng)使用非接觸式的傳感器替代。

圖21 機械可變電阻的電路符號

圖22 NTC電阻在電路中的電路符號

圖23 NTC 電阻隨溫度變化的特性曲線圖

十二、熱敏式電阻器

熱敏式電阻在車上是應(yīng)用最廣泛的一種可變式電阻。

1.NTC 電阻

NTC 電阻是電阻值隨溫度升高而減小的半導體電阻。對于NTC電阻來說，R20表示20℃時的電阻值，即處于冷態(tài)的NTC電阻。為了抵消內(nèi)部溫度影響，NTC電阻流過的電流較低，因此外界溫度對電阻值的影響很大。NTC電阻在電路圖中的電路符號如圖22所示，兩個反向箭頭表示電阻與溫度之間成反比。溫度越高，電阻越低，溫度越低，電阻越高，其特性曲線圖如圖23所示。

圖24 帶有冷卻液溫度傳感器的電路圖

無固有加熱特性的NTC電阻在測量溫度時作為溫度傳感器使用，在模擬電路中用于穩(wěn)定溫度。如圖24所示為帶有冷卻液溫度傳感器的電路圖。寶馬E60空調(diào)蒸發(fā)器溫度傳感器電阻值與溫度的關(guān)系如表3所示。

表3 寶馬E60空調(diào)蒸發(fā)器溫度傳感器電阻值與溫度的關(guān)系

2.PTC電阻

PTC電阻是電阻值隨溫度升高而增大的半導體電阻，電阻符號如圖25所示。圖26顯示了PTC電阻隨溫度變化的電阻曲線圖。在汽車上PTC電阻可用來控制加熱

裝置電流，如車外后視鏡加熱器(圖27)。

PTC電阻達到初始溫度TA時電阻值開始增大，此時為初始電阻RA，直至標稱溫度TN時電阻都以非線性形式增長。自標稱電阻RN起，電阻顯著增大。PTC工作范圍擴大，直至達到最終溫度TE。

圖25 PTC電阻符號

圖26 PTC電阻隨溫度變化的特性曲線圖

圖27 車外后視鏡內(nèi)加熱控制電路圖

（未完待續(xù)）